电力系统综合自动化实验台及其教学应用

电力系统综合自动化实验台及其教学应用
基金项目：本文系广东省大学生创新实验资助项目(1184510025)、广东工业大学校级精品课程《电力系统分析》资助项目(406096043)、高教研究基金项目(2010D06、“电气与控制广东省实验教学示范中心”实验教学改革项目、2010 年度广东工业大学教育教学改革项目(2010 Y002)的研究成果。

电力系统是一个大规模、时变的复杂系统，在国民经济中起着非常重要的作用。

电力系统数字仿真也已成为电力系统研究、规划、运行、设计和教学等各方面不可或缺的工具，特别是电力系统新技术的开发研究、新装置的设计和参数的确定更是需要通过仿真来确认。

[1] 但是在电力教学中采用数字仿真手段来研究电力系统的各种理论，存在的主要问题是物理概念不够直观，学生只能通过仿真曲线和实验数据来认知现象和理论，难于培养对电力系统运行的感性认识。

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WDTBI型电力系统综合自动化试验台是为了适应现代化电力系统对宽口径、复合型高级技术人才的需要而研制的电力类专业新型教学实验系统。

该实验台把真实的电力系统缩小到实验室中，是真实电力系统的缩影，方便学生直接观察各种现象的物理过程，便于学生获得明确的物理概念。

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一、电力系统综合自动化试验台的技术特点
在广东工业大学投入使用的WDTBI电力系统综合自动化实验台
是由华中科技大学电力自动化技术研究所开发的一项高科技产品。

该实验台主要由模拟发电机、模拟变压器、模拟输电线路、模拟负荷和调节、控制、测量、保护等模拟装置组成，可以模拟电力系统各种实时运行状态，反映电力系统的动态特性，帮助学生把课本上学到的知识和实际系统对应起来，另外可以帮助学生熟悉电力系统的结构、特点及各种设备的操作，提高学生分析问题和解决问题的能力。

该套实验装置的外形如图1 所示。

为了使操作方便，实验台采取发电机通过输电线路与无穷大系统联接，构成“单机―无穷大”系统的工作方式，而这无穷大系统由市电承担，很容易实现。

另外，考虑到模型操作的灵活和方便，在设计中，设计者增加了与外部联接的接口，在一定程度上扩大了其使用功能。

其次，在接口设计中，实验台采用了通用的接口标准，可为电力系统新产品（如继电保护，控制调节装置等）进行初步的性能考核实验。

考虑到面对学生教学的特点，可以通过更改实验台的接线和接入专用负载，将发电机组脱离无穷大系统，作为一个独立的设备工作，这样不但方便实验台的调试和修改，而且可以根据不同课程的需要，完成不同的实验。

为了增加学生的直观效果，帮助他们理解，实验操作台的操作面板上有模拟接线图，操作台的操作按钮与模拟接线图中被操作的对象结合起来，并用不同的灯光颜色表示其相应的工作状态。

另外实验数据可以通过测量仪表和LED数码显示，同时可以通过数字存储示波器，观测到发电机电压、系统电压、励磁电压以及准同期时的脉动电压波形，甚至可以观测各个晶闸管上的电压波形以及各种控制的脉冲波形，还可以同时观测到同步发电机短路时的电流和电压波形
等，这样便于实验结果的记录和对比分析。

二、综合自动化实验台的功能
电力系统是由多台发电机、变压器、输电线路和用电设备等电气元件组成的一个完整的系统，任何电气元件缺一不可。

[4 ，5] 结合电力系统这个特点，该实验台主要可以实现三部分功能：电力系统自动装置系列实验、电力系统继电保护和电力系统稳定分析实验。

其功能结构如图2所示。

1.电力系统自动装置系列实验
（1）同步电机准同期并列实验。

为了加深学生对同步发电机准同期并列操作条件的理解，熟悉准同期并列操作的过程，掌握准同期操作的技能，观察真实的正弦整步电压波形、线性整步电压波形及其与准同期并列条件的对应关系，验证准同期条件与冲击电流性质的关系，以及准同期并列条件允许值的大小与条件准备时间长短之间的概率统计关系，学生利用这套实验装置可实现：手动准同期实验；半自动准同期实验；全自动准同期实验；不同准同期条件下的并列操作实验。

（2）同步发电机励磁控制系统实验。

综合自动化实验台装设了WL-04B 微机励磁调节器，该套装置是专为大专院校开设
“电力系统自动装置原理”、“电力系统分析”和“电力工程” 等课程的教学实验而特殊设计的微机型励磁调节器。

其励磁方式可选择它励和自并励两种。

2.电力系统继电保护系列实验为了适应电力教学的需要，实验
台还配备了微机保护装置，该微机保护装置采用了高性能的80C196 芯片为主体，可以模拟实际系统中继电保护的动作行为，如：输电线路的电流、电压保护，阻抗保护，变压器保护和发电机保护等。

为方便教学，该装置台采用数码管显示各种信息，使保护的操作简单、灵活，调试方便，同时装置具有良好的事情分析功能，包括动作事件记录，事件顺序记录和保护投退―装置运行―开入记录等，方便学生记录实验过程和实验数据。

同时，为了加强学生对保护概念的理解，保护装置的整定值可进行浏览和修改。

另外，装置还设置了手动跳、合闸操作，便于紧急事故的处理，以保证设备的安全。

3.电力系统稳定性分析系列实验综合型教学实验平台由多机系统组成，并且在实验台上通过对短路选择按钮的操作可进行单相接地短路，两相接地短路，两相相间短路和三相短路共四种短路类型故障的设置，因此使用该自动化装置实验台能开展静态稳定性和暂态稳定性方面的若干实验。

其中静稳方面的实验包括：单机―无穷大系统的静态稳定性、多机系统的静态稳定性、无自动励磁调节时发电机功率特性的测定、采用自动励磁调节器时功率特性的测定、自动励磁调节器对静态稳定性的影响、网络结构变化对静态稳定性的影响、发电机电势不同时对静态稳定性的影响等实验。

另外采用该装置台可开展的暂态稳定方面的实验包括：短路类型对暂态稳定的影响、提高暂态稳定性的措施、继电保护的动作时限对暂态稳定影
响、强行励磁对暂态稳定的影响、自动重合闸装置对暂态稳定的影响等实验。

通过这些实验，可以加强学生对稳定性概念的理解，提
高对电力稳定运行的综合分析能力。

三、电力综合自动化实验台的主要应用领域
1.电力系统的本科教学
WDTBI电力系统综合自动化实验台在广东工业大学运行的实践表明，该实验台对“电力系统分析”、“继电保护”和“电力系统自动装置”等课程教学均有很大的帮助。

该系统是一个高度自动化的多机电力系统综合实验平台，不仅能够反映现代化电能的生产、传输、分配和使用的全过程，而且充分体现了现代化电力系统高度自动化、信息化和数字化的特点，为学生的学习提供了一个更为生动的课堂，使得本科教学的效果有了很大的改进。

与传统教学方式相比，融合了电力系统检测、控制、监视和保护的自动化实验台已成为电力系统现代化教学必不可少的工具。

2.开展学生的创新性实验
综合自动化实验台形成一个逼真的电力系统运行环境，而且对它进行任何操作都不会对实际系统的设备带来任何影响，因此学员可以放心地进行各种操作，如改变系统网络结构、调节发电机的有功和无功及设置各种故障，因此可以利用这套装置开展本科教学的创新性实验，提高学生创新思维与实践能力，加强学生分析问题和解决问题的能力。

3.成为科研平台
综合化实验台一个多机运行的电力系统，每台发电机组都配有完整的自动控制系统和自动励磁调节器，具有调差和强励等功能，
且每套自动装置都有多种控制方式可选择，运行方式和运行参数可在线修改。

另外，装置中每台发电机的电流、电压都留有标准接口，发电机组的调频和调压控制也留有接口，因此研究人员可使用这套装置进行相关的实验研究和科研开发。

四、结束语现代科技的高速发展要求高校培养出来的学生不仅具有专业知识，更要有创新能力和综合实践能力，电力系统综合自动化实验台正好顺应科技发展的潮流。

目前该实验台已在广东工业大学自动化学院投入使用，教学实践表明：该实验装置的使用，不仅促进了学生的创新能力，让学生综合运用所学的专业知识进行实验设计，增强学生的动手能力，加强了理论和实践的结合，更培养了学生科学严谨的工作作风和团结协作的精神，因此该实验装置是现代化电力系统教学和科研的必备手段。